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2.2.1嵌入式处理器5
2.2.2嵌入式外围设备6
2.2.3嵌入式软件6
2.2.4嵌入式操作系统6
第三章嵌入式在家居智能领域中的具体运用实例7
3.1实现功能7
3.2技术难点7
3.3系统综述7
3.4子系统设备的实现8
3.4.1智能IO控制器的实现8
3.4.2红外学习型控制器的实现9
3.4.3电话网关的实现9
3.4.4可视对讲机系统终端的实现9
3.4.5内部通信网络的实现10
3.5结语10
参考文献11
第一章智能家居的概述
1.1研究背景
随着经济和科技的发展，人们对生活质量的要求越来越高，更舒适、更温馨的现代化家居是人们更希望拥有的，对其安全性、智能性、经济性提出了更高的要求。
智能家居技术应运而生。
智能家居利用先进的技术，通信等把智能与家居结合起来，是一个有巨大发展前景的项目。
未来中国的智能家居市场潜力巨大。
智能家居是一个多功能的系统，它包括可视对讲、家庭内部的安全防范、家电控制、远程的视频监控、远程医疗诊断及护理系统、网上教育系统、家庭的影音系统等。
智能家居的基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家用安防等装置连接到一个智能化系统上进行集中或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。
随着技术发展，智能家居系统内容更丰富，操作更方便，系统越复杂。
1.2智能家居的现状与发展
在国际上，智能家居系统是上个世纪80年代才发展起来的新技术。
自从1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后，智能家居逐步走入人们的视野。
在我国，智能化住宅虽然起步晚，但是发展速度很快。
国内的智能化家居产品，经历了从2000年左右的概念炒作到如今的推广与普及过程。
目前国内的一些家电业企业基本都推出了各自的产品，都进入智能家居市场，智能家居市场的争夺日趋白热化。
基于目前科技的发展情况和人们的消费理念，智能家居系统有以下五个发展方向：
1.“一体化系统集成”
家居智能化需满足自动化管理、安全防范监控、火灾报警、三表计量、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把这些功能集成，以降低成本，是其未来发展的一个方向。
2.智能化、网络化、人性化
智能化是智能控制发展的必然要求和趋势，它是当代高科技技术的综合和升华。
网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件；
人性化体现“以人为本”的思想，是科技发展的最终目的。
3.节能环保
智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术；
环保是全球的要求，智能家居如何结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素。
4.规范化、标准化
我国发展较晚，产业和技术标准和规范还在制定之中。
产品的标准化、规范化方面还存在着许多问题，还需考虑和国际接轨的问题。
规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之路。
5.具有“中国特色”的家居智能化
家居智能化系统需要大量的合适中国国情的产品和运行软件，目前国内开发的软硬件产品的种类较少水平较低。
因此，这一方面的研究开发急需加强。
1.3智能家居平台系统的技术特点
智能家庭网络随着集成技术、通信技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进。
它涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作、管理，以及集成技术的应用。
其技术特点表现如下：
1.通过家庭网关及其系统软件建立智能家居平台系统
家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时，网关还负责家庭智能设备的管理和控制。
2.统一的平台
用计算机的技术、微电子技术、通信技术，家庭智能终端将家庭智能化的所有功能集成起来，使智能家居建立在一个统一的平台之上。
首先，实现家庭内部网络与外部网络之间的数据交互；
其次，还要保证能够识别通过网络传输的指令是合法的指令，而不是“黑客”的非法入侵。
因此，家庭智能终端既是家庭信息的交通枢纽，又是信息化家庭的保护神。
3.通过外部扩展模块实现与家电的互联
为实现家用电器的集中控制和远程控制功能，家庭智能网关通过有线或无线的方式，按照特定的通讯协议，借助外部扩展模块控制家电或照明设备。
4．嵌入式系统的应用
以往的家庭智能终端绝大多数是由单片机控制。
随着新功能的增加和性能的提升，将处理能力大大增强的具有网络功能的嵌入式操作系统和单片机的控制软件程序作了相应的调整，使之有机地结合成完整的嵌入式系统。
第二章嵌入式系统
2.1嵌入式系统概述
嵌入式系统是外延非常广泛的的名词，凡是具有嵌入式特征的计算机应用系统都可以称为嵌入式系统，所以很难给它一个十分准确的定义，业界有多种不同的关于嵌入式系统的定义。
国内普遍接受的嵌入式系统的定义为：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
该定义更能体现嵌入式系统的基本特征。
首先该定义突出了嵌入式系统是面向应用的，与具体的应用结合才能体现嵌入式系统存在的必要性，不同的嵌入式系统具有不同的功能和要求。
开发者一定要针对具体的应用要求设计嵌入式系统。
2.2嵌入式系统的基本组成
嵌入式系统由硬件和软件两大类组成，其基本组成如图1所示。
图1嵌入式系统体系结构
2.2.1嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，负责控制整个嵌入式系统的执行。
嵌入式与处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多在为特定用户群所专门设计的系统中工作，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而实现嵌入式系统的小型化，使系统具有高效率和可靠性。
嵌入式微处理器具有对实时多任务有很强的支持能力；
具有功能很强的存储区保护能力；
可扩展的处理器结构，以满足快速地开发出满足应用需要的最高性能的嵌入式微处理器；
功耗低等特点。
2.2.2嵌入式外围设备
在嵌入式系统硬件系统中除了中心控制部件以外，嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备、输入设备、输出设备等都属于嵌入式外围设备。
目前常用的外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。
实际环境中，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。
除了CPU和基本外围电路外，其余部分都可以剪裁。
2.2.3嵌入式软件
嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。
嵌入式系统的软件可以分为四个层次：
设备驱动、操作系统、应用中间件和应用系统。
2.2.4嵌入式操作系统
嵌入式操作系统EOS负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动；
它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的工能。
在所有的操作系统中，Linux是一个发展最快、应用最广泛的嵌入式操作系统。
Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，在新兴的嵌入式操作系统领域内获得了飞速发展。
嵌入式Linux是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K或者几M字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用的专用Linux操作系统。
嵌入式在家居智能领域中的具体运用实例
3.1实现功能
设计了一套利用嵌入式系统搭建的家居智能系统。
能够实现电器设备控制，集中控制，编程控制和异地远程控制等功能。
3.2技术难点
由于家居智能设备需要长期稳定的工作，因此嵌入式系统成为了不二的选择。
首先，由于目前现有家电设备，安防设备和其他智能家居设备无法实现互联互通，我们就需要设计几种控制设备和连接设备将它们连接在一起，并能够实现可靠的控制。
其次，家庭的电器设备比较分散，因此我们还需要解决这些嵌入式设备的通信。
由于是家用，因此通信的方式不宜太复杂，否则会给安装带来较多麻烦。
再次，考虑到家用的因素，每种设备的成本也需要尽量的低廉。
3.3系统综述
如图2所示，这是一个智能家居系统的结构图。
涉及到四类产品：
可视对讲设备，电话网关，IO开关控制器和红外控制器。
在这四类设备的配合使用下，我们可以有序的控制家中的大部分电器设备，实现家居智能的功能。
图2系统结构图
其中可视对讲设备和电话网关是控制设备，IO控制器和红外控制器是受控设备。
IO控制器一头连接的总线网络，受控于可视对讲设备或者电话网关，另一头通过Digitalinput（DI）连接到各种报警器，如烟雾报警器，燃气报警器等。
同时通过Digitaloutput（DO）各种单节点开关电器，如照明，电热水器，饮水机等。
DI收集各种报警信号，如果有报警出现立即通过总线网络上报给控制设备，控制设备再通过设定好的程序，或是通过小区的网络上报给物业处理，通过互联网发送邮件，发送即时消息等；
或是通过电话网关通过公共电话拨打某个号码求助。
红外模块内存储了这个家庭内全部红外遥控电器的各种功能的红外码。
通过对发射这些红外命令我们就能控制这些设备的全部功能。
在通过控制设备的控制，我们甚至能实现在地球任何一个地方，通过电话或者互联网开关家中的空调，并设定温度。
根据电视节目表，按时打开电视机，并自动转换到相应的频道，打开数字录像机录制节目以备日后观看。
可视对讲设备具有触摸屏和高速CPU，通过以太网和互联网或小区内的可视对讲网络相连，除了完成可视对讲，开锁等功能外，同时由于其供电稳定，24乘7的不间断工作的特点，其也是其他受控设备的主控制器。
具备人际操作界面（HMI），用户通过这个界面可直接控制家中的设备，同时还可以设置控制方式，如定时控制，联动控制设置编程控制等。
与此同时，可视对讲设备连接互联网，通过内设的WEB页面，可以提供给外部网络访问的接口，通过这个接口，用户可以通过互联网，使用浏览器即可观看家中设备的状态，并对设备进行控制。
电话网关共有两个接头：
一头连接公共电话网，一个总线接头连接家庭控制总线。
用户可以在任何一个地方打电话回家，如果无人应答则自动进入语音菜单；
同时也可以在家中通过电话拨设定的按键组合进入语音菜单，通过电话控制家电设备。
另外，如果家中的报警器开始报警，IO控制器会把报警信息传给电话网关，通过它自动提机向外拨打设置好的电话求助。
3.4子系统设备的实现
3.4.1智能IO控制器的实现
智能IO系统可用于对一些单开关的设备进行控制，并对一些报警器的信号采集。
一般家用的灯光，饮水器，电热水器，门磁，等设备，通过简单的DO即可实现开关的控制。
而一些报警器，通过DI即可采集。
因此，使用8位的单片机和合适的通信收发器即可完成智能开关量采集和控制。
本设计采用的是STC单片机和总线收发器。
STC单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍。
无需专用编程器，可通过串口直接下载用户程序，有EEPROM和看门狗功能，有2个16位定时器1个独立波特率发生器外部中断I/O口，有5路支持传统的下降沿终断或低电平触发中断，一个独立的通用全双工异步串行口。
3.4.2红外学习型控制器的实现
家居智能控制的另一个核心就是对家用电脑的控制。
而电视机、DVD，投影仪和空调这类的家电由于都需要红外遥控器进行操作，这就给我们提供了一个接口，通过这个接口我们就能对上述的电器进行控制。
本设计通过Cortex-M3内核的ST处理器实现。
ARMCortex-M3是一种基于ARM7V架构的最新ARM嵌入式内核，它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线。
Cortex-M3主要针对MCU，单片机等领域。
成本低，性能远高于8位单片机。
Cortex-M3采用V7指令集，他的速度甚至比ARM7快三分之一，功耗低四分之三。
最多达128KB的嵌入式闪存、20KB的RAM和丰富的外设接口，包括两个12位模数转换器、三个USART、两个SPI、两个I2C、三个16位定时器等。
3.4.3电话网关的实现
在很多居民家中，电话网络仍然是最普及的通信网络。
如果需要在居所之外控制家中的电器设备，查看状态，我们就需要通过一个普及的网络连接到家中。
而电话网目前仍是我国最普及的，由于电话网络只能传输语音信息，为了方便用户的操作，本网关就需要语音菜单来实现人际交互。
如果用户通过外线进入，需要输入密码以确定身份。
本设计采用的是NXP公司的LPC23系列ARM7处理器。
此系列微控制器基于一个支持实时仿真的16位/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有512KB嵌入的高速Flash存储器。
128位宽的存储器接口和独特的加速器结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
3.4.4可视对讲机系统终端的实现
本设计使用的是三星公司的ARM9芯片的S3C2440AL作为CPU,128M的SDRAM,512MBNANDFLASH,WinCE的操作系统。
并有触摸屏和OLED显示器。
具有两个以太网接口，485或者CAN接口。
3.4.5内部通信网络的实现
本设计的系统中，系统内部的通信是通过总线实现的。
一般在家用系统中，常见的有线通信方式不外乎以太网通信和总线通信两种。
而由于以太网通信的实现，其硬件上MCU的外围元件较多，且软件上其协议栈相对复杂，对于类似8位单片机设备，实现起来就很勉强，同时成本也提高。
而总线物理通信上所需的元件较少，接线简单，完全可是直接使用普通的双绞线，且协议简单，因此可广泛适用于各种档次的嵌入式系统。
CAN和485总线是最常见的两种总线系统。
3.5结语
以上的产品在经过开发调试，在实际投入后，发现各设备运行可靠稳定，通过接口设备，使得原本一般的家用电器具有了价格很高的网络家电的功能，并且完全实现了电器设备的集中控制，编程控制，远程控制。
同时安装时不会给家庭的装修带来太多的要求。
我们不难看出，通过几种嵌入式系统产品，我们很容易能搭建起一套实现家居智能系统。
特别是在今天随着嵌入式系统的不断发展，性能的不断的提高，我们有理由相信，其在家居智能系统中会发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]李界家.智能建筑办公网络与通信技术.北京.清华大学出版社.2000
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276-277
[3]黄小池.智能家居系统的现状和发展趋势.计算机科学.2003.1:
74-75
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